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Astronomy: NIKA2, a new instrument for the detection of millimetric waves

To detect a cold body, it is necessary that detection instruments are even colder, to avoid the thermal "noise" associated with the instrument. Based on the KID technology (Kinetic Inductance Detectors), superconducting detectors are kept at a very low temperature, the NIKA2 instrument has just been installed within the IRAM telescope (CNRS / MPG / IGN) located on Mount Pico Veleta (1), Spain. It will detect millimetric waves emitted by celestial bodies. More robust, cheaper and more sensitive than the existing millimetric detection instruments, this camera is the very first (2) to be equipped with KID technology for use in millimetric astronomy. The NIKA international consortium, coordinated by the Institut Néel (CNRS), hopes to be able to explore the star forming process in the nearby universe as well as in the distant universe by studying the emission of interstellar dust and the evolution of galaxy clusters via their interaction with the radiation coming from the Big Bang.

Photo ci-contre : Une matrice de KID en préparation pour NIKA2. © Martino Calvo (Institut Néel - CNRS).

Une partie importante de la matière de l'univers étant froide, elle n'émet pas de la lumière visible mais majoritairement des infrarouges et des ondes millimétriques, c'est-à-dire à des longueurs d'ondes de l'ordre du millimètre. L'utilisation de télescopes optiques ne permet donc pas d'étudier tous les éléments constitutifs de l'Univers. Des radiotélescopes spécifiques permettent d'observer les ondes millimétriques et notamment d'étudier les objets froids.

Basé sur une nouvelle technologie, des détecteurs supraconducteurs pouvant être maintenus à une température très basse (0.15 Kelvin soit -273 °C), l'instrument NIKA2 est d'une grande sensibilité. Cette caméra est constituée de nombreux détecteurs formant trois matrices, contenant plusieurs milliers de pixels. Un seul de ces pixels peut distinguer, en une seconde d'utilisation, des puissances de l'ordre de quelques dizaines d'atto-Watts (10-18 W), ce qui permettrait par exemple de mesurer l'émission thermique d'un lapin placé à 1000 kilomètres de distance. C'est la perturbation des propriétés supraconductrices des détecteurs par les ondes millimétriques qui permet aux chercheurs de déterminer combien de « lumière » a été émise par les objets astrophysiques et donc d'obtenir une image de ces objets.

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Premières images obtenues sur DR21OH, une région de formation stellaire qui se trouve dans le nuage moléculaire Cygnus X. La carte à une taille de 12 arc-min (0.2 degrés) et la résolution angulaire de l’instrument est représentée par le petit disque blanc en bas et à gauche de chaque image. © Consortium NIKA

Avec NIKA2, les chercheurs vont pouvoir explorer un vaste éventail de phénomènes. Quatre projets motivent particulièrement le consortium NIKA. Ils concernent à la fois l'étude de l'évolution des amas de galaxies, la réalisation des « cartes » détaillées des galaxies proches ou encore l'étude de la poussière interstellaire et de sa polarisation, pour comprendre la formation des filaments de poussière et de gaz impliqués dans la naissance des étoiles. Cet instrument permettra également d'observer des « champs vides »3, pour cartographier la formation d'étoiles obscurcies par la poussière et donc habituellement invisibles aux observations du domaine optique. La caméra sera ouverte, pour une période d'au minimum dix ans, à la communauté scientifique mondiale qui sera invitée à proposer d'autres sujets. Les premières observations sont en cours à l'observatoire du Pico Veleta. NIKA 2 montre déjà, à ce stade, des performances qui génèrent de grands espoirs.

Le consortium NIKA (New IRAM KID Arrays) regroupe des chercheurs, ingénieurs et techniciens de l'Institut Néel (CNRS), de l'IRAM, du Laboratoire de physique subatomique et cosmologie (CNRS/Université Grenoble Alpes/Grenoble INP), de l'Institut de planétologie et d'astrophysique de Grenoble (CNRS/Université Grenoble Alpes), de l'Institut d'astrophysique spatiale (CNRS/Université Paris-Sud), de l'Institut de recherche en astrophysique et planétologie (CNRS/Cnes/Université Toulouse III – Paul Sabatier), de l'Institut d'astrophysique de Paris (CNRS/UPMC), du Laboratoire d'astrophysique de Marseille (CNRS/Aix-Marseille Université), du laboratoire d'Astrophysique instrumentation modélisation(CNRS/Université Paris Diderot/CEA), de l'Observatoire de Paris, de l'Université de Cardiff, de l'ESO et de l'Université de l'Arizona (ASU). NIKA2 a été principalement financé par l'ANR, l'IRAM, le LabEx FOCUS et un contrat ERC de la Communauté Européenne.

Note(s): 

  1. L'Institut de radioastronomie millimétrique (IRAM) a été fondé par le CNRS en France et la Max-Planck-Gesellschaft en Allemagne, rejoints par l'Instituto Geográfico Nacional en Espagne. Cet institut est composé de son siège social à Grenoble, d’un radiotélescope de 30 m de diamètre au Pico Veleta en Espagne, et d’un interféromètre de 7 antennes de 15 m de diamètre sur le Plateau de Bure dans les Hautes-Alpes françaises.
  2. Le prototype NIKA1, dix fois plus petit et basé sur la même technologie, a été installé sur le même télescope entre 2013 et 2015 afin de démontrer la faisabilité de la caméra NIKA2.
  3. Petite portion de ciel sans source millimétrique ou submillimétrique identifiée.
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